鎖相環(huán)(PLL)電路存在于各種高頻應(yīng)用中，從簡單的時鐘凈化電路到用于高性能無線電通信鏈路的本振(LO)，以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)中的超快開關(guān)頻率合成器。
鎖相環(huán)是一種反饋系統(tǒng)，其中電壓控制振蕩器和相位比較器 相互連接，使得振蕩器頻率(相位)可以準(zhǔn)確跟蹤施加的頻率 或相位調(diào)制信號的頻率。鎖相環(huán)可用來從固定的低頻信號生 成穩(wěn)定的輸出頻率信號。首批鎖相環(huán)由法國工程師de Bellescize 在20世紀(jì)30年代初實現(xiàn)。然而，直到20世紀(jì)60年代中期，集 成式PLL成為一種成本相對較低的元件之后，鎖相環(huán)才得到 市場的廣泛認(rèn)可。
01 鎖相環(huán)的基本組成
許多電子設(shè)備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內(nèi)部的振蕩信號同步，利用鎖相環(huán)路就可以實現(xiàn)這個目的。
鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)（PLL,Phase-Locked Loop）。鎖相環(huán)的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。
因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。
鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD,Phase Detector）、環(huán)路濾波器（LF,Loop Filter）和壓控振蕩器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖8-4-1所示。
鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成uD（t）電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC（t），對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。
02 鎖相環(huán)的工作原理
鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖8-4-2所示。
鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為：
（8-4-1）
（8-4-2）
式中的ω0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或為直流電壓時的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：
用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC（t）。即uC（t）為：
（8-4-3）
式中的ωi為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，θi（t）和θo（t）分別為輸入信號和輸出信號的瞬時相位，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時頻率和瞬時相位的關(guān)系為：
即
（8-4-4）
則，瞬時相位差θd為
（8-4-5）
對兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為
（8-4-6）
上式等于零，說明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，uc（t）為恒定值。當(dāng)上式不等于零時，說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等，uc（t）隨時間而變。
因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心，隨輸入信號電壓uc（t）的變化而變化。該特性的表達(dá)式為
上式說明當(dāng)uc（t）隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持ω0=ωi的狀態(tài)不變。
03 鎖相環(huán)的應(yīng)用
[1] 鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用
（1）調(diào)制和解調(diào)的概念
為了實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對信號進(jìn)行調(diào)制，收信端接收到信號后必須進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)原信號。
所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號ui來控制載波信號uc的參數(shù)，使載波信號的某一個參數(shù)隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數(shù)有幅度、頻率和位相，所以，調(diào)制有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）三種。
調(diào)幅波的特點是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化而變化；調(diào)頻波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化；調(diào)相波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，相位隨輸入信號幅度的變化而變化。調(diào)幅波和調(diào)頻波的示意圖如圖8-4-4所示。
上圖的（a）是輸入信號，又稱為調(diào)制信號；圖（b）是載波信號，圖（c）是調(diào)幅波和調(diào)頻波信號。
解調(diào)是調(diào)制的逆過程，它可將調(diào)制波uo還原成原信號ui。
[2] 鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應(yīng)用
調(diào)頻波的特點是頻率隨調(diào)制信號幅度的變化而變化。由8-4-6式可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當(dāng)載波信號的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率ω0相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持ω0不變。若壓控振蕩器的輸入信號除了有鎖相環(huán)低通濾波器輸出的信號uc外，還有調(diào)制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以ω0為中心，隨調(diào)制信號幅度的變化而變化的調(diào)頻波信號。由此可得調(diào)頻電路可利用鎖相環(huán)來組成，由鎖相環(huán)組成的調(diào)頻電路組成框圖如圖8-4-5所示。
根據(jù)鎖相環(huán)的工作原理和調(diào)頻波的特點可得解調(diào)電路組成框圖如圖8-4-6所示。
若輸入FM信號時，讓環(huán)路通帶足夠?qū)挘剐盘栒{(diào)制頻譜落在帶寬之內(nèi)，這時壓控振蕩器的頻率跟蹤輸入調(diào)制的變化,如圖6.1所示。對于鎖相環(huán)的詳細(xì)分析可參閱有關(guān)鎖相技術(shù)的書籍。在此僅說明鎖相環(huán)鑒頻原理。可以簡單地認(rèn)為壓控振蕩器頻率與輸入信號頻率之間的跟蹤誤差可以忽略。因此任何瞬時，壓控振蕩器的頻率ωv(t)與FM波的瞬時頻率ωFM(t)相等。
[3] 鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用
在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號輸出。
輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖8-4-7所示。
圖中的N大于1時，為分頻電路；N小于1時，為倍頻電路。
從上面的簡單介紹就可以看出，PLL是一個模擬器件，所以他本質(zhì)上對噪聲和干擾特別敏感，現(xiàn)在做PLL的重要課題之一就是如何減弱噪聲影響。一般后端在物理實現(xiàn)的時候，也會對PLL做額外的特殊照顧，盡量減弱干擾。PLL就類似芯片中的心臟，用以供給跳動的時鐘。但是在數(shù)字電路中照顧模擬器件的噪聲干擾是十分復(fù)雜、困難的一件事，需要考慮很多東西。首先在PLL內(nèi)部，就需要采用類似差分電路的方法來做VCO，當(dāng)然這是最基本的，但是更多方法我也不太了解。在PLL外面，我們也會加很大的blockage，還有加很強壯的shielding等，PG供電也是怎么強怎么來，還有等等一系列額外的QoR檢查、ESD檢查等。總之一句話，就是會犧牲很大的代價也要把PLL的抗噪聲做好。
